云浮硫铁矿开发利用环境影响的地球化学与环境磁学研究

发布时间：2017-09-09 11:29

  本文关键词：云浮硫铁矿开发利用环境影响的地球化学与环境磁学研究

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【摘要】：矿产资源开发对生态环境的影响日趋严重,特别是含硫金属矿山的开发利用已引发一系列重大污染事件,受到了世界各国的广泛关注。云浮硫铁矿地处广东省云浮市,是华南地区众多含硫金属矿山之一,也是中国最大、世界第二大的硫铁矿,研究其开发利用对水土环境的影响具有典型性和代表性。此外,环境磁学方法具有经济、快速和对样品无损等一系列优势,其在重金属污染监测中的应用前景受到广泛关注。大量研究表明土壤磁学性质与重金属含量间存在显著的相关关系,但土壤中磁性矿物与重金属赋存机制间的关系尚不清楚。云浮硫铁矿远离珠三角核心工业区和城市中心,污染来源单一,是探讨重金属污染磁学示踪机制的理想区域。本研究采用地球化学方法系统分析了矿区及周边表层土壤、采矿粉尘、纳污河溪水及水系沉积物多种环境介质中微量元素含量、空间分布及迁移规律,并进行了系统的污染评价和生态风险评价。采用环境磁学和矿物学方法详细分析了矿区周边表层土壤和沉积物的磁学性质,包括磁性矿物组成、含量及粒径分布,并深入研究了重金属含量与磁学参数的相关性及重金属元素与磁性矿物的共存机制,探讨了利用土壤/沉积物的磁学性质反演重金属含量的可行性,并通过多元回归分析建立了重金属含量与磁学参数的回归方程,且采用地球化学测试数据对回归方程的可靠性进行了验证。通过本文的研究,得到如下认识和结论:1.云浮硫铁矿周边表层土壤微量元素空间分布主要受母质类型、母岩沉积环境、采矿活动、雨水、地形地势和周边交通和工业排放等因素影响。元素Nb、U、Th、Ga、Ge、Ti、Ta、Zr和Hf具有相似的空间分布,其质量分数在矿区的东北面和南面都有1个低值区,主要受母质类型影响;元素Cu、Pb和Zn具有相似的空间分布,其质量分数等值线近似同心圆分布,以矿区为中心,离矿区越近的地方元素质量分数越高,主要受采矿活动影响;元素Mn和Co具有相似的空间分布,主要受母质沉积环境到物源距离的影响;元素Rb和Cs具有相似的空间分布,其质量分数在尾矿库位置有个明显的低值区,可能是受到了雨水淋滤尾矿作用的影响;元素Sr、Cr和V具有相似的空间分布特征,其质量分数在矿区都有一个低值区,Cr和Sr主要受地形条件的影响,易在地势较低的地方富集,V主要受云浮硫铁矿周边交通和工业排放的影响;元素Ba和Ni的空间分布特征比较独特,ba2+易与雨水中so42-离子结合生成baso4而沉淀,而ni主要受云浮硫铁矿周边交通和工业排放的影响。地累积系数显示,除zr、hf、th和u外,其他测试元素都不同程度地受到了矿山开发利用过程的影响。对照国家土壤环境质量二级标准(gb15618-1995),矿区周边只有个别表层土壤样品出现了ni、zn或pb污染和多金属复合污染。2.尾矿堆淋虑产生的酸性废水影响了纳污河溪水中co、ni、cu、ga、ge、cd、pb、u、ti、fe、sr和tl的含量,但对cr、as、ba、zr、bi和th含量的影响非常小。ph值是影响纳污河水中微量元素含量最重要的因素,酸性废水中的重金属元素没有明显沉淀,说明酸性废水的影响范围远超出研究区域。根据农田灌溉水质标准(gb5084-92)和污水综合排放标准(gb8978-1996),纳污河溪所有水样都出现了as污染;大部分水样都出现了cd污染及as和cd复合污染。3.水系沉积物中微量元素含量主要受沉积物物质成分、鸭粪、尾矿堆淋虑和水体ph值4大因素的影响,其中沉积物物质成分主要包括泥沙、粘土和酸性废水中悬浮颗粒物。地累积系数显示,大台水库排水口至纳污的庆丰河上游水电站河段,沉积物出现了不同程度的mn、co、ni、zn、ge、sr和pb污染,主要受采矿活动的影响,而从养鸭场到庆丰村口河段又出现了不同程度的ti、v、cr、cu、ga、cs、ba和u污染,主要是因为河道中鸭粪提高了水的ph值,同时鸭粪对金属离子有较强的吸附作用。根据国家土壤环境质量二级标准,大台水库至庆丰村口部分河段的沉积物出现了cr、ni、zn、pb污染和多金属复合污染。4.数值模拟结果显示,矿区粉尘的主要沉降范围为矿区西南面4km以内,矿区东北面2.5km以内,其余方向2km以内。5.生态风险指数显示,云浮硫铁矿开发利用尚未给周边环境带来明显的生态风险,但生态危害指数显示,纳污河水中as和cd出现了较轻的生态危害。6.矿区周边表层土壤中的磁性矿物主要为磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿、针铁矿、含铁硅酸盐和一种居里温度(tc)约为530℃的磁性矿物,可能是钛磁铁矿或铁锰尖晶石,磁性颗粒的磁畴状态以假单畴(psd)为主。土壤中的co和ni通过吸附或晶格置换与磁性矿物共存;而ge、cu、zn和pb则是通过共沉淀机制与含铁磁性矿物共存。mn可通过吸附、晶格置换和共沉淀等多种形式与磁性矿物共存。沉积物中的磁性矿物主要为磁铁矿、赤铁矿和纤铁矿,磁畴状态也以假单畴(psd)为主。7.表层土壤的磁性主要受磁性矿物种类、含量与粒径分布的影响。磁学参数χ和χarm/sirm的空间分布特征显示,矿区附近表层土壤的磁性已显著增强,离矿区越近磁性矿物含量越高、颗粒越粗,可能是采矿活动产生的粗颗粒磁性矿物使表层土壤中磁性矿物含量增加所致;HIRM和S-ratio的空间分布显示,离矿区越近硬磁性组分含量也越高,硬磁性组分主要来源于尾矿风化产生的次生铁矿相矿物(如:赤铁矿和针铁矿)。8.重金属含量与磁学参数的相关性分析表明,表层土壤中仅Mn、Co、Ni、Ge、Cu、Zn和Pb与反映磁性矿物含量的磁学参数显著正相关,其中,Cu、Zn、Pb、Mn和Ge与采矿活动有关,可用磁学参数χlf、SIRM和HIRM作为替代指标进行反演或监测;沉积物中仅Mn和Zn与反映磁性矿物含量的磁学参数显著正相关,可用磁学参数χlf和χARM作为替代指标进行反演或监测;重金属含量与磁学参数的多元线性回归方程的验证结果表明,磁学参数能反映总体样本中重金属元素的含量特征,但具体分析某个样品时,预测结果和实测结果也会存在一定的偏差,因此,该经验公式尚需更多的实证研究来证实与完善。
【关键词】：地球化学 环境磁学 环境影响 赋存机制 云浮硫铁矿
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X82;X751
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-30
• 第一节 选题背景及研究意义16-21
• 一、矿山开发利用对周边环境的影响16-17
• 二、矿山开发环境影响的复杂性和现有监测检测手段的局限性17-19
• 三、环境磁学技术的优越性及存在的问题19
• 四、本研究的切入点及拟解决的关键科学问题19-20
• 五、本研究的理论意义及应用价值20-21
• 第二节 国内外研究进展21-28
• 一、矿山开发利用对周边水土环境影响的研究进展21-24
• 二、土壤磁学研究进展24-26
• 三、环境磁学重金属污染应用研究进展26-27
• 四、云浮硫铁矿开发利用环境影响研究进展27-28
• 第三节 重点研究内容28
• 第四节 基础工作量28-30
• 第二章 研究方法与技术路线30-45
• 第一节 研究区域与样品采集30-37
• 一、云浮硫铁矿概况30-32
• 二、研究区范围与水土样品采集32-37
• 第二节 研究方法37-43
• 一、分析测试37-41
• 二、数值模拟41-42
• 三、数据分析与统计42-43
• 第三节 技术路线43-45
• 第三章 微量元素含量空间分布、影响因素及污染评价45-74
• 第一节 矿区及周边地区表层土壤中微量元素地球化学特征45-56
• 一、空间分布特征45-49
• 二、影响因素及可能来源49-53
• 三、表层土壤微量元素污染评价53-56
• 第二节 矿区周边水体的微量元素特征56-62
• 一、微量元素含量及空间分布特征56-61
• 二、水体微量元素污染评价61-62
• 第三节 沉积物中微量元素特征62-71
• 一、空间分布特征62-66
• 二、沉积物微量元素含量影响因素分析66-68
• 三、沉积物微量元素污染评价68-71
• 第四节 水-沉积物之间微量元素的迁移特征71-72
• 第五节 本章小结72-74
• 第四章 矿区采矿粉尘对周边环境的影响74-83
• 第一节 数学模型74-75
• 第二节 采用的基础数据75-76
• 第三节 数值模拟结果76-79
• 第四节 粉尘沉降范围及其环境影响79-81
• 第五节 本章小结81-83
• 第五章 磁性矿物学研究83-100
• 第一节 磁性矿物种类83-93
• 一、热磁曲线（κ-T曲线）分析83-87
• 二、磁滞回线87-88
• 三、IRM获得曲线及其累积对数高斯（CLG）分析88-91
• 四、磁性组分矿物组成91-93
• 第二节 磁性矿物的磁畴状态93-94
• 第三节 磁学性质空间分布94-99
• 一、表层土壤94-96
• 二、水系沉积物96-99
• 第四节 本章小结99-100
• 第六章 重金属污染磁学响应机制探讨100-120
• 第一节 表层土壤重金属含量与磁学性质间的相关性100-103
• 第二节 磁性颗粒物相与可能来源103-107
• 第三节 云浮硫铁矿周边表层土壤中重金属与磁性矿物赋存形式107-109
• 第四节 环境磁学性质反演重金属含量的可能性与有效性109-116
• 一、表层土壤磁学性质与地球化学、矿物学的对比分析109-113
• 二、表层土壤环境磁学性质与重金属含量的拟合分析113-116
• 第五节 云浮硫铁矿周边地区水土环境重金属污染生态风险评价116-118
• 第六节 本章小结118-120
• 第七章 结语120-124
• 第一节 主要认识和结论120-122
• 第二节 特色与创新之处122
• 第三节 建议与展望122-124
• 一、建议122-123
• 二、展望123-124
• 参考文献124-142
• 附表142-143
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果143

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本文编号：820185